การเริ่มต้นใช้งานชิป Espressif ESP32-S3#

▷ แนะนำ ESP32-S3 Series#

บริษัท Espressif Systems ได้เปิดตัวชิป ESP32-S3 SoC ในช่วงปลายปีค.ศ. 2020 ชิป ESP32-S3 มีตัวประมวลผล Tensilca Xtensa LX7 (32-bit dual-core) ความเร็วในการประมวลผลสูงสุด 240MHz

ในเชิงเปรียบเทียบ ESP32 (เริ่มจำหน่ายในปีค.ศ. 2016) ใช้ตัวประมวลผล Xtensa LX6 (32-bit dual-core) แต่ ESP32-S3 มีชุดคำสั่งส่วนขยายที่เรียกว่า Processor Instruction Extensions (PIE) สามารถคำนวณด้วยข้อมูลขนาด 128 บิต (แบ่งเป็นข้อมูลหน่วยย่อยขนาด 8-bit, 16-bit หรือ 32-bit ได้) นอกจากนั้นยังรองรับการใช้งาน USB-OTG (Host & Device) ได้ด้วย ซึ่งแตกต่างจากชิป ESP32 รุ่นอื่น ๆ

ESP32-S3

  • Released: December 2020
  • TSMC ultra-low-power 40nm technology
  • CPUs: Dual-core Xtensa LX7, 5-stage pipeline, up to 240 MHz
  • 384 KB ROM: for booting and core functions
  • 512 KB On-chip SRAM (for data and instructions)
  • Processor Instruction Extensions (PIE)
    • Extended instruction set (based on 128-bit SIMD operations)
  • IEEE 802.11b/g/n (2.4 GHz Wi-Fi) and Bluetooth 5 (LE)
  • USB-OTG: USB host and device support
  • Chip models:
    • External Flash: ESP32-S3
    • External Flash, built-in PSRAM: ESP32-S3R2, ESP32-S3R8, ESP32-S3R8V
    • Built-in Flash: ESP32-S3FN8 (8MB Flash)
    • Built-in Flash, PSRAM: ESP32-S3FH4R2 (4MB Flash, 2MB PSRAM)

ชิป ESP32-S2 เป็นอีกรุ่นหนึ่งที่ใช้ตัวประมวลผล Xtensa LX7 เหมือน ESP32-S3 แต่ว่าไม่ใช่ Dual-Core แต่เป็น Single-Core มีเพียงซีพียูเดียว และมีความเหมือนและความแตกต่าง โดยยกมาเป็นตัวอย่างดังนี้

Feature ESP32-S2 ESP32-S3
Announcement Date September 2019 December 2020
CPU Core Xtensa LX7 single-core Xtensa LX7 dual-core
Max.Frequency 240 MHz 240 MHz
Wi-Fi 802.11 b/g/n, 2.4 GHz 802.11 b/g/n, 2.4 GHz
Bluetooth ✖️ Bluetooth LE v5.0
SRAM 320 KB 520 KB
ROM 128 KB 384 KB
ADC 2x 13-bit, 20 channels 2x 12-bit, 20 channels
DAC 2x 8-bit channels ✖️
USB OTG 1 1
RMT 4 channels 8 channels
MCPWM ✖️ 2x6 PWM outputs
SD/SDIO/MMC host controller ✖️ 1
ULP coprocessor PicoRV32 core + ULP FSM PicoRV32 core + ULP FSM
Ethernet MAC ✖️ ✖️

ดูรายละเอียดเพิ่มเติมได้จากเว็บ Espressif Product Comparison

รูป:การเปรียบเทียบระหว่าง ESP32-S2 และ ESP32-S3 บนหน้าเว็บไซต์ของบริษัท Espressif Systems

 

▷ การจำแนกประเภทของบอร์ด ESP32-S3 และตัวอย่างบอร์ดทดลอง#

บริษัท Espressif Systems ได้จำแนกฮาร์ดแวร์ออกเป็น 3 กลุ่ม หรือ 3 ระดับ คือ

  • SoC หมายถึง ตัวชิปของบริษัท และมีตัวถังของไอซีเป็นแบบ QFN
  • Module หมายถึง โมดูล PCB ที่มีชิป ESP32 Chip รวมถึงไอซีหน่วยความจำ วงจรสร้างความถี่ ฝาครอบที่เป็นโลหะป้องกันการรบกวนสัญญาณ (RF Shield Metal Cover) และสายอากาศ (PCB Trace Antenna) หรือ คอนเนกเตอร์สำหรับต่อสายอากาศภายนอก
  • Board หมายถึง บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้ชิปของ Espressif

แนวทางการจำแนกบอร์ด ESP32-S3 มีดังนี้

  • จำแนกตามการใช้งานโมดูล เช่น ESP32-S3-WROOM-1 หรือ ESP32-S3-MINI-1
  • จำแนกตามขนาดความจุของหน่วยจำ (ภายในหรือภายนอก) ทั้งประเภท SPI Flash และ SPI PSRAM
  • จำแนกตามจำนวนพอร์ต USB เช่น ใช้คอนเนกเตอร์ USB-Type C หรือ MicroUSB
  • จำแนกตามการใช้งานชิปหรือวงจร USB-to-Serial Bridge Chip หรือ ไม่มี
  • จำแนกตามขนาดของบอร์ด และการใช้งานร่วมกับเบรดบอร์ด
  • จำแนกตามลักษณะการใช้งาน เช่น การเพิ่มโมดูลจอแสดงผล TFT IPS Touch Screen หรือ Camera Module เป็นต้น

ตัวอย่างบอร์ด ESP32-S3

รูป: Espressif ESP32-S3-DevKitC-1 และ ESP32-S3-DevKitM-1

รูป: Espressif ESP32-S3-DevKitC-1 Pinout

รูป: บอร์ดของบริษัท WaveShare: ESP32-S3 DevKit vs. ESP32-S3 Pico

รูป: Waveshare ESP32-S3 DevKit WROOM-1 Pinout

รูป: Waveshare ESP32-S3 Zero Pinout

รูป: Wemos Lolin S3 Pro Pinout

รูป: Wemos Lolin S3 Mini Pinout

รูป: Freenove ESP32-S3 WROOM-1 Pinout

รูป: VCC-GND Studio YD-ESP32-S3 Core

รูป: WeAct Studio ESP32-S3 Core A and B

รูป: WeAct Studio ESP32-S3 Core B Pinout

รูป: VCC-GND Studio YD-ESP32-S3 Core Pinout

บอร์ด Waveshare ESP32-S3-Pico (Schematic) มีคุณสมบัติดังนี้

  • ชิป: ESP32-S3R2 (External Flash, built-in PSRAM)
  • หน่วยความจำ External Flash: 16MB (W25Q128)
  • หน่วยความจำ On-chip PSRAM: 2MB
  • มีพอร์ต USB Type-C เพียงหนึ่งพอร์ต รองรับการใช้งาน Full-speed USB OTG
  • มีไอซี CH343 USB-to-Serial Bridge
  • มีไอซี CH334 USB Hub IC
  • มีไอซี MP28164 (DC-DC Buck-Boost Switching Converter) จ่ายกระแสได้สูงถึง 2A @ 3.3V
  • มีสายอากาศแบบ Ceramic Antenna
  • มีไอซี WS2812B (GPIO21)

▷ ตัวเลือกในการเขียนโปรแกรมสำหรับ ESP32-S3#

ตัวเลือกในการเขียนโปรแกรมสำหรับ ESP32-S3 ก็เหมือน ESP32 Series ในรุ่นอื่น ๆ ได้แก่

  • Espressif IDE + Espressif IDF
  • Arduino IDE + Arduino ESP32 Core
  • VS Code IDE + PlatformIO + Arduino-ESP32 Framework
  • Python: MicroPython, CircuitPython
  • Rust
  • ...

ตัวอย่าง Tutorials โดยผู้พัฒนาบอร์ด

▷ การเขียนโปรแกรมด้วย Arduino#

การเขียนโค้ด Arduino Sketch แนะนำให้ติดตั้งและใช้งาน Arduino IDE จากนั้นจึงติดตั้ง Arduino ESP32 Board Manager

  • Stable release: https://raw.githubusercontent.com/espressif/arduino-esp32/gh-pages/package_esp32_index.json
  • Development release: https://raw.githubusercontent.com/espressif/arduino-esp32/gh-pages/package_esp32_dev_index.json

รูป: การติดตั้ง Arduino ESP32 Core v3.0.0

รูป: ตัวอย่างการตั้งค่าอุปกรณ์ก่อนการคอมไพล์และอัปโหลดเฟิร์มแวร์

โค้ดตัวอย่าง Arduino Sketch สาธิตการตรวจสอบข้อมูลเกี่ยวกับฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่ใช้งาน มีดังนี้

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  while(!Serial && millis() < 3000 );
  Serial.println("\nESP32-S3 Demo...\n");
}

void loop() {
  Serial.println("=========================================");
  Serial.printf( "Arduino ESP32 Core v%u.%u.%u\n",
     ESP_ARDUINO_VERSION_MAJOR, 
     ESP_ARDUINO_VERSION_MINOR, 
     ESP_ARDUINO_VERSION_PATCH );

  Serial.printf("Espressif IDF: %s\n", ESP.getSdkVersion() );
  Serial.printf("Chip Revision %d\n",  ESP.getChipRevision() );
  Serial.printf("Cpu Freq. %lu MHz\n", ESP.getCpuFreqMHz() );
  Serial.printf("Heap (total/free): %lu / %lu bytes\n", 
         ESP.getHeapSize(), ESP.getFreeHeap());
  Serial.printf("PSRAM (toal/free): %lu / %lu bytes\n", 
         ESP.getPsramSize(), ESP.getFreePsram());
  Serial.printf("Flash Size: %lu MB, Flash Speed: %lu MHz\n",
         ESP.getFlashChipSize()/(1024*1024UL), 
         ESP.getFlashChipSpeed()/(uint32_t) 1e6 );

  // more info...
  Serial.printf("Espressif chip model: %s\n",
         ESP.getChipModel() );
  Serial.printf("Number of CPU Cores: %d\n", 
         ESP.getChipCores() );
  String str;
  switch(ESP.getFlashChipMode()) {
     case FM_QIO:  str = "QIO";  break;
     case FM_QOUT: str = "QOUT"; break;
     case FM_DIO:  str = "DIO";  break;
     case FM_DOUT: str = "DOUT"; break;
     default:      str = "Unknown"; break;
  }
  Serial.printf("Flash model: %s\n", str.c_str() );
  Serial.println("=========================================\n");

  const uint32_t N = 10000;
  uint32_t *buf = (uint32_t*)ps_malloc(N*sizeof(uint32_t) ); 
  if (buf != NULL) {
    Serial.printf("PSRAM (toal/free): %lu / %lu bytes\n", 
         ESP.getPsramSize(), ESP.getFreePsram());
    free( buf );
    Serial.printf("PSRAM (toal/free): %lu / %lu bytes\n", 
         ESP.getPsramSize(), ESP.getFreePsram());
  }

  struct PsramAllocator {
    void* allocate(size_t size) {
      return ps_malloc(size);
    }
    void deallocate(void* pointer) {
      free(pointer);
    }
  };

  PsramAllocator psramAllocator;
  uint32_t n_bytes = N*sizeof(uint32_t);
  // Try to allocate memory in PSRAM.
  uint32_t *psram = (uint32_t *)psramAllocator.allocate( n_bytes );
  Serial.printf("PSRAM (toal/free): %lu / %lu bytes\n", 
         ESP.getPsramSize(), ESP.getFreePsram());
  // Release the allocated PSRAM memory.
  psramAllocator.deallocate(psram); // Deallocate the PSRAM memory
  Serial.printf("PSRAM (toal/free): %lu / %lu bytes\n", 
         ESP.getPsramSize(), ESP.getFreePsram());
  delay(4000);
}

รูป: ตัวอย่างข้อความเอาต์พุต

 

▷ การเขียนโปรแกรมด้วย MicroPython#

ESP32-S3 มีเฟิร์มแวร์ที่เรียกว่า ROM Bootloader อยู่ภายในหน่วยความที่อ่านได้เท่านั้น และสามารถทำให้เข้าสู่โหมด Bootloader ได้โดยการกดปุ่ม BOOT ค้างไว้ และกดปุ่ม RESET แล้วปล่อย จะทำให้มองเห็น USB JTAG / Serial Port สำหรับคอมพิวเตอร์ของผู้ใช้

เมื่อชิปอยู่ในโหมด Bootloader แล้ว ก็สามารถใช้โปรแกรม เช่น esptool.py (Python-based) หรือ Espressif Flash Download Tools หรือ Espressif Web-based Esptool.js อัปโหลดไฟล์เฟิร์มแวร์ไปยังบอร์ดได้

การติดตั้ง esptool.py สำหรับ Ubuntu (สำหรับ Windows ก็ทำคำสั่งในลักษณะเดียวกัน)

$ pip install esptool

 

คำแนะนำ: แต่ถ้าใช้ซอฟต์แวร์ Thonny IDE สำหรับการเขียนโค้ด การติดตั้งไฟล์เฟิร์มแวร์สำหรับ MicroPython จะทำได้ง่ายกว่าการใช้คำสั่ง esptool.py

รูป: การติดตั้ง MicroPython Firmware โดยใช้ Thonny IDE

รูป: การเลือกไฟล์ MicroPython Firmware สำหรับบอร์ด ESP32S3 ที่จะใช้งาน

รูป: ตัวอย่างการเขียนและรันโค้ด MicroPython เพื่อเปลี่ยนสีของ WS2812B RGB LED (GPIO-21) บนบอร์ด ESP32-S3

คำสั่งของ MicroPython API สำหรับ ESP32 สามารถดูตัวอย่างการใช้งานได้จาก Quick reference for the ESP32

import neopixel
import machine
import time

# Define the GPIO pin and the number of pixels
led_pin    = 21
num_pixels = 1

# Create a NeoPixel object
np = neopixel.NeoPixel(machine.Pin(led_pin), num_pixels)

def set_color(rgb):
    np[0] = rgb
    np.write()

colors = [(255,0,0), (0,255,0), (0,0,255)]
while True:
    for color in colors:
        set_color( color )
        time.sleep( 1 )

ตัวอย่างโค้ดสาธิตการแสดงข้อมูลเกี่ยวกับ MicroPython และฮาร์ดแวร์ที่ใช้งาน

import esp
import sys
import machine
import uos 
import network

# Print MicroPython version
print("\n\nMicroPython version:", sys.version)

names = ['sysname','nodename',
         'release','version','machine']

sys_info = dict(zip(names,uos.uname()))
for n,v in sys_info.items():
    print( "{:>10s}: '{}'".format(n,v) )

# Print system information
print("System info:")
print("- Flash size:", esp.flash_size(), "bytes")
print("- Free heap:", gc.mem_free(), "bytes")
print("- Frequency:", int(machine.freq()/(1e6)), "MHz")
id = machine.unique_id()
mac_address = ':'.join([hex(b)[2:].upper() for b in id])
print("- MAC address:", mac_address)

wlan_sta = network.WLAN(network.STA_IF)
wlan_sta.active(True)
wlan_mac = wlan_sta.config('mac')
mac_address = ':'.join([hex(b)[2:].upper() for b in wlan_mac])
print("- MAC address:", mac_address)

รูป: ตัวอย่างการรันโค้ด MicroPython

 

▷ การเขียนโปรแกรมด้วย CircuitPython#

ถ้าต้องการติดตั้งเฟิร์มแวร์สำหรับ CircuitPython มี 2 ทางเลือก

  1. ดาวน์โหลดไฟล์ .bin ให้ตรงกับบอร์ดที่ต้องการใช้งาน และใช้คำสั่ง esptool.py อัปโหลดไฟล์ไปยังบอร์ด เช่น บอร์ด Feather ESP32-S3 No PSRAM
  2. ใช้ไฟล์ประเภทที่เรียกว่า UF2 firmware (.uf2) แต่จะต้องมีการติดตั้ง Tiny UF2 Bootloader firmware (ชื่อไฟล์ tinyuf2.bin) จัดทำโดยบริษัท Adafruit แล้วจึงติดตั้งไฟล์ .uf2 ในขั้นถัดไป

ตัวอย่างการติดตั้งไฟล์ .bin เช่น สำหรับบอร์ด ESP32-S3 ที่ไม่มี PSRAM

File: adafruit-circuitpython-adafruit_feather_esp32s3_nopsram-en_US-8.2.9.bin

ตัวอย่างการทำคำสั่ง esptool.py โดยไม่จำเป็นต้องระบุชื่อ Serial Port ถ้ามีบอร์ด ESP32 เชื่อมต่ออยู่เพียงบอร์ดเดียว และทำให้บอร์ดเข้าสู่โหมด USB Bootloader ก่อนเริ่มทำคำสั่ง

คำสั่งสำหรับ Ubuntu

## For Ubuntu Bash Shell
# Erase flash
$ esptool.py --chip esp32s3 erase_flash

# Write the Flash with a single .bin file
$ esptool.py --chip esp32s3 \ 
  --before=default_reset --after=no_reset write_flash \
  --flash_mode dio --flash_size detect --flash_freq 80m 0x0 \
  adafruit-circuitpython-adafruit_feather_esp32s3_nopsram-en_US-8.2.9.bin

คำสั่งสำหรับ Windows

## For Windows Commands Shell
# Erase flash
> esptool.py --chip esp32s3 erase_flash

# Write the Flash with a single .bin file
> esptool.py --chip esp32s3 ^
  --before=default_reset --after=no_reset write_flash ^
  --flash_mode dio --flash_size detect --flash_freq 80m 0x0 ^
  adafruit-circuitpython-adafruit_feather_esp32s3_nopsram-en_US-8.2.9.bin

รูป: ตัวอย่างการทำคำสั่ง esptool.py

รูป: การเชื่อมต่อจาก Thonny IDE ไปยังบอร์ด ESP32-S3 ได้สำเร็จ

 

ตัวอย่างการติดตั้งไฟล์เฟิร์มแวร์แบบหลายไฟล์ (ไฟล์ .bin มีอยู่หลายไฟล์ รวมไว้ในไฟล์ .zip ดังนั้นให้แตกไฟล์ในไดเรกทอรีใหม่ก่อน) เช่น สำหรับบอร์ด ESP32-S3 ที่ไม่มี PSRAM

File: tinyuf2-adafruit_feather_esp32s3_nopsram-0.18.1.zip

การทำคำสั่งด้วย esptool.py (สำหรับ Ubuntu)

# Erase flash
$ esptool.py --chip esp32s3 erase_flash

# Write the Flash with multiple files
$ esptool.py --chip esp32s3 \
   --before=default_reset --after=no_reset write_flash \
   --flash_mode dio --flash_size detect --flash_freq 80m \
   0x0 bootloader.bin \
   0x8000 partition-table.bin \
   0xe000 ota_data_initial.bin \
   0x410000 tinyuf2.bin

เมื่อได้ติดตั้ง TinyUF2 Bootloader สำหรับบอร์ด ESP32-S3 ได้สำเร็จแล้ว จะมองเห็น TinyUF2 CDC ของบอร์ด ได้จากการใช้งาน Thonny IDE แต่ถึงขั้นตอนนี้ ยังไม่ได้มีการติดตั้ง CircuitPython ดังนั้นขั้นตอนถัดไป ก็เป็นการติดตั้งหรืออัปเดตเฟิร์มแวร์สำหรับ CircuitPython

รูป: การติดตั้งหรืออัปเดตเฟิร์มแวร์สำหรับ CircuitPython

รูป: การเชื่อมต่อจาก Thonny IDE ไปยังบอร์ด ESP32-S3 ได้สำเร็จ

 

▷ การใช้งาน WokWi Simulator#

Wokwi Simulator รองรับการใช้งาน ESP32-S3 สำหรับการเขียนโปรแกรมด้วยภาษา C/C++ โดย Arduino-ESP32 Core และภาษา Rust

รูป: การเลือกบอร์ด Espressif ESP32-S3-DevKitC-1 ใน Wokwi Simulator สำหรับการเขียนโปรแกรมด้วย Arduino ESP32

รูป: การเขียนโค้ด Arduino Sketch และจำลองการทำงานโดยใช้บอร์ด Espressif ESP32-S3-DevKitC-1

 

▷ กล่าวสรุป#

บทความนี้ได้นำเสนอแนวทางการใช้งานบอร์ด ESP32-S3 ในเบื้องต้น ตัวเลือกสำหรับซอฟต์แวร์และการเขียนโปรแกรม เช่น Arduino ESP32 และภาษา MicroPython / CircuitPython

 

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

Created: 2023-12-09 | Last Updated: 2023-12-09